1- Acadêmico do curso de Engenharia Mecânica 2- Orientador
ANÁLISE DO DESGASTE DE FERRAMENTAS E ACABAMENTO
SUPERFICIAL VIA EMISSÃO ACUSTICA
Stéfano Grandi Bombonato¹
Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia Ávila 2121, Uberlândia/MG, CEP 38408
omegahert@hotmail.com
Marcio Bacci da Silva ²
Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal d Ávila 2121, Uberlândia/MG, CEP 38408
mbacci@mecanica.ufu.br
Resumo: Este trabalho apresenta uma proposta de monitoramento do processo de torneamento
com o intuito de detectar a necessidade de troc
acabamento superficial da peça, não havendo desperdícios e conseqüente melhorando a produtividade e qualidade do produto final
externo com metal duro. Os experimentos foram realizados em aço inoxidável 304. Foi monitorado o desgaste de flanco máximo (VB
corte. O sinal de emissão acústica (EA) foi adqu
com o sensor fixado no porta ferramenta. O desgaste de flanco era medido periodicamente juntamente com a rugosidade até o final da vida da ferramenta. Foi analisada a correlação de diversos parâmetros estatísticos retirados do sinal de emissão acústica (EA) com o desgaste da ferramenta e com a rugosidade. Os parâmetros estatísticos analisados foram: skewness, curtose, RMS, pico e fator de crista. Para correlacionar o sinal de EA com a rugosidade
parâmetros similares aos utilizados para expressar a rugosidade:
gráfica dos parâmetros estatísticos mostram que alguns parâmetros têm uma significativa correlação com os estágios de desgaste e rugosidade.
Palavras chave: torneamento, desgaste, monitoramento, emissão acústica, rugosidade
1. INTRODUÇÃO
O processo de Usinagem representa a classe mais largamente empregada na fabricação de produtos, sendo assim a pesquisa nessa área tem fundamental importância frente aos demais processos de fabricação. Devido ao volume de capital gasto na área da usinagem,
da produtividade certamente causará um impacto econômico significativo. Dentro desse contexto, o processo de torneamento é empregado em larga escala em todo o mundo, sendo um dos processos de vital importância para a indústria da fabricaçã
O desgaste e eventuais falhas das ferramentas são fenômenos inevitáveis e a observação do momento de troca da ferramenta é um processo complicado, no qual o operador não tem a possibilidade de saber com certeza o momento em que a ferramenta deve ser sub
principalmente após a introdução de processos que ocorrem em câmaras fechadas, do tipo CNC, onde o operador não tem boa visualização do processo.
PIBIC-UFU, CNP
Universidade Federal de Uberlândia Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós DIRETORIA DE PESQUISA
do curso de Engenharia Mecânica
ANÁLISE DO DESGASTE DE FERRAMENTAS E ACABAMENTO
SUPERFICIAL VIA EMISSÃO ACUSTICA
Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia – Campus Santa Mônica, Av. João Naves de Ávila 2121, Uberlândia/MG, CEP 38408-902,
Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia – Campus Santa Mônica, Av. João Naves de Ávila 2121, Uberlândia/MG, CEP 38408-902,
Este trabalho apresenta uma proposta de monitoramento do processo de torneamento com o intuito de detectar a necessidade de troca da ferramenta de usinagem e verificar o acabamento superficial da peça, não havendo desperdícios e conseqüente melhorando a produtividade e qualidade do produto final. Foi utilizada a operação de torneamento cilíndrico externo com metal duro. Os experimentos foram realizados em aço inoxidável
. Foi monitorado o desgaste de flanco máximo (VBBmáx ) até o fim de vida da ferramenta de corte. O sinal de emissão acústica (EA) foi adquirido durante a usinagem, com varias repetições, com o sensor fixado no porta ferramenta. O desgaste de flanco era medido periodicamente juntamente com a rugosidade até o final da vida da ferramenta. Foi analisada a correlação de sticos retirados do sinal de emissão acústica (EA) com o desgaste da ferramenta e com a rugosidade. Os parâmetros estatísticos analisados foram: skewness, curtose,
. Para correlacionar o sinal de EA com a rugosidade parâmetros similares aos utilizados para expressar a rugosidade: Ra, Rz, Rq
gráfica dos parâmetros estatísticos mostram que alguns parâmetros têm uma significativa correlação com os estágios de desgaste e rugosidade.
torneamento, desgaste, monitoramento, emissão acústica, rugosidade
O processo de Usinagem representa a classe mais largamente empregada na fabricação de produtos, sendo assim a pesquisa nessa área tem fundamental importância frente aos demais processos de fabricação. Devido ao volume de capital gasto na área da usinagem,
da produtividade certamente causará um impacto econômico significativo. Dentro desse contexto, o é empregado em larga escala em todo o mundo, sendo um dos processos de vital importância para a indústria da fabricação.
O desgaste e eventuais falhas das ferramentas são fenômenos inevitáveis e a observação do momento de troca da ferramenta é um processo complicado, no qual o operador não tem a possibilidade de saber com certeza o momento em que a ferramenta deve ser sub
principalmente após a introdução de processos que ocorrem em câmaras fechadas, do tipo CNC, onde o operador não tem boa visualização do processo.
UFU, CNPq & FAPEMIG
Universidade Federal de Uberlândia Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação DIRETORIA DE PESQUISA
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Campus Santa Mônica, Av. João Naves de
Campus Santa Mônica, Av. João Naves de
Este trabalho apresenta uma proposta de monitoramento do processo de torneamento a da ferramenta de usinagem e verificar o acabamento superficial da peça, não havendo desperdícios e conseqüente melhorando a torneamento cilíndrico externo com metal duro. Os experimentos foram realizados em aço inoxidável austenítico ABNT ) até o fim de vida da ferramenta de irido durante a usinagem, com varias repetições, com o sensor fixado no porta ferramenta. O desgaste de flanco era medido periodicamente juntamente com a rugosidade até o final da vida da ferramenta. Foi analisada a correlação de sticos retirados do sinal de emissão acústica (EA) com o desgaste da ferramenta e com a rugosidade. Os parâmetros estatísticos analisados foram: skewness, curtose, . Para correlacionar o sinal de EA com a rugosidade, foram calculados Ra, Rz, Rq, Rsk, Rku. Análise gráfica dos parâmetros estatísticos mostram que alguns parâmetros têm uma significativa
torneamento, desgaste, monitoramento, emissão acústica, rugosidade
O processo de Usinagem representa a classe mais largamente empregada na fabricação de produtos, sendo assim a pesquisa nessa área tem fundamental importância frente aos demais processos de fabricação. Devido ao volume de capital gasto na área da usinagem, qualquer aumento da produtividade certamente causará um impacto econômico significativo. Dentro desse contexto, o é empregado em larga escala em todo o mundo, sendo um dos processos O desgaste e eventuais falhas das ferramentas são fenômenos inevitáveis e a observação do momento de troca da ferramenta é um processo complicado, no qual o operador não tem a possibilidade de saber com certeza o momento em que a ferramenta deve ser substituída, principalmente após a introdução de processos que ocorrem em câmaras fechadas, do tipo CNC,
Assim, um dos maiores desafios da usinagem atual é conseguir utilizar um processo que faça a previsão do momento ótimo de troca da ferramenta, otimizando o processo e gerando o menor prejuízo possível, ou mesmo eliminando prejuízos.
Um dos desafios dos pesquisadores é determinar com segurança o momento em que a ferramenta deve ser substituída com o melho
a determinação durante o processo de usinagem. Existem vários campos de pesquisa para o monitoramento do desgaste e rugosidade
temperatura, força, potência e até emissão sonora. A medição do sinal de emissão acústica surge como uma área relativamente nova e promissora neste campo de pesquisa. Isto em função do alto número de fenômenos de usinagem que emitem este sinal, de sua rapidez de resposta, baixa interferência de ruídos, baixa intrusividade, facilidade de operação de seus equipamentos e custo relativamente baixo.
Na primeira parte do trabalho
torneamento cilíndrico externo com posterior medição da
austenítico ABNT 304. Os resultados foram analisados estatisticamente e relacionados com o desgaste da ferramenta e acabamento da peça
sobre os principais temas abordados neste trabalho.
2. MATERIAIS E EQUIPAMENTOS
O trabalho experimental foi realizado
LEPU, que consta de medições de desgaste, fotografias, análises de imagens, aquisição do de emissão acústica e rugosidade
Foram realizados experimentos utilizando o a aquisição do sinal de emissão
posteriormente a este processo foi realizada flanco da pastilha de corte.
O processo consta de três paradas para aproveitar melhor o comprimento da barra onde era realizado o procedimento já descrito anteriormente.
Enquanto ocorria o processo de remoção do cavaco,
segundos, enviado ao condicionador de sinais onde este era enviado a uma placa de aquisição de sinais e por final enviado ao microcomputador onde os dados eram armazenados por uma rotina criada no software Labview 8.2. Depois era feito a medição de rugosidade com um rugosímetro que era ligado diretamente ao computador para fornecer os dados da superfície da peça. Por
pastilha de corte era retirada do porta ferramenta e levado em um microscópio óptico figura medição do desgaste de flanco. Ao todo foram rea
vinte e três arquivos e EA, rugosidade e fotos de desgaste de flanco.
As condições de corte foram mantidas constantes em todo o processo: 0,5 mm de profundidade de corte ( ), 240 m/min de velocidade de corte (
Segue abaixo na figura 6 uma foto mostrando o esquema do ensaio realizado com a peça fixada no torno com o sensor de EA e com o rugosí
Assim, um dos maiores desafios da usinagem atual é conseguir utilizar um processo que o do momento ótimo de troca da ferramenta, otimizando o processo e gerando o menor prejuízo possível, ou mesmo eliminando prejuízos.
Um dos desafios dos pesquisadores é determinar com segurança o momento em que a com o melhor acabamento superficial possível
a determinação durante o processo de usinagem. Existem vários campos de pesquisa para o e rugosidade em processo, que vão desde a medição de vibração, cia e até emissão sonora. A medição do sinal de emissão acústica surge como uma área relativamente nova e promissora neste campo de pesquisa. Isto em função do alto número de fenômenos de usinagem que emitem este sinal, de sua rapidez de resposta, baixa terferência de ruídos, baixa intrusividade, facilidade de operação de seus equipamentos e custo
Na primeira parte do trabalho foram coletados sinais de emissão acústica torneamento cilíndrico externo com posterior medição da rugosidade superficial do
. Os resultados foram analisados estatisticamente e relacionados com o e acabamento da peça. A seguir é apresentada uma revisão bibliográfica
rdados neste trabalho.
EQUIPAMENTOS
O trabalho experimental foi realizado no Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem medições de desgaste, fotografias, análises de imagens, aquisição do e rugosidade .
Foram realizados experimentos utilizando o processo de torneamento cilíndrico externo a aquisição do sinal de emissão acústica por dois segundos a uma taxa de aquisição
foi realizada a medição de rugosidade e medição do desgaste de O processo consta de três paradas para aproveitar melhor o comprimento da barra onde era realizado o procedimento já descrito anteriormente.
Enquanto ocorria o processo de remoção do cavaco, o sinal de EA era adquirido por dois , enviado ao condicionador de sinais onde este era enviado a uma placa de aquisição de sinais e por final enviado ao microcomputador onde os dados eram armazenados por uma rotina Depois era feito a medição de rugosidade com um rugosímetro que era ligado diretamente ao computador para fornecer os dados da superfície da peça. Por
pastilha de corte era retirada do porta ferramenta e levado em um microscópio óptico figura medição do desgaste de flanco. Ao todo foram realizados vinte e três testes em que
vinte e três arquivos e EA, rugosidade e fotos de desgaste de flanco.
As condições de corte foram mantidas constantes em todo o processo: 0,5 mm de ), 240 m/min de velocidade de corte ( ), 0,10 mm/r de a
uma foto mostrando o esquema do ensaio realizado com a peça fixada no o sensor de EA e com o rugosímetro.
Assim, um dos maiores desafios da usinagem atual é conseguir utilizar um processo que o do momento ótimo de troca da ferramenta, otimizando o processo e gerando o Um dos desafios dos pesquisadores é determinar com segurança o momento em que a r acabamento superficial possível. Uma vantagem seria a determinação durante o processo de usinagem. Existem vários campos de pesquisa para o em processo, que vão desde a medição de vibração, cia e até emissão sonora. A medição do sinal de emissão acústica surge como uma área relativamente nova e promissora neste campo de pesquisa. Isto em função do alto número de fenômenos de usinagem que emitem este sinal, de sua rapidez de resposta, baixa terferência de ruídos, baixa intrusividade, facilidade de operação de seus equipamentos e custo foram coletados sinais de emissão acústica durante o rugosidade superficial do aço inoxidável . Os resultados foram analisados estatisticamente e relacionados com o . A seguir é apresentada uma revisão bibliográfica
no Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem – medições de desgaste, fotografias, análises de imagens, aquisição dos sinais de torneamento cilíndrico externo com de aquisição de 1MHz, medição do desgaste de O processo consta de três paradas para aproveitar melhor o comprimento da barra onde era o sinal de EA era adquirido por dois , enviado ao condicionador de sinais onde este era enviado a uma placa de aquisição de sinais e por final enviado ao microcomputador onde os dados eram armazenados por uma rotina Depois era feito a medição de rugosidade com um rugosímetro que era ligado diretamente ao computador para fornecer os dados da superfície da peça. Por último a pastilha de corte era retirada do porta ferramenta e levado em um microscópio óptico figura 5 para a lizados vinte e três testes em que foram obtidos As condições de corte foram mantidas constantes em todo o processo: 0,5 mm de ), 0,10 mm/r de avanço (f). uma foto mostrando o esquema do ensaio realizado com a peça fixada no
Figura 5. Microscópio óptico com aumento de 45 vezes.
Figura 6. Procedimento Experimental.
Foram utilizadas, ao longo de todos os testes, uma barra cilíndrica de aço inoxidável ABNT 304, pertencentes ao LEPU e fornecidas pela Villares Metals, de 100 milímetros de diâmetro e 500 milímetros de comprimento. A tabela 1 apresenta a Composição química do material utilizado.
As ferramentas utilizadas nos testes de desgaste foram insertos de metal duro revestidos com nitreto de titânio (TiN) SNMG 120404 MF 431, da Sandvik Coromant. O suporte usado foi o DSBNR 2020 K12, também da Sandvik.
O sensor de emissão acústica da fabricante SENSIS possui um núcleo composto por dois cristais piezelétricos. A freqüência de ressonância de cada cristal individualmente é de 1 MHz. Os sinais dos cristais são adquiridos de forma diferencial, a fim de eliminar ruídos. Posteriormente, o sinal é amplificado com ganho 200 pelo pré-amplificador que fica embutido no sensor. Desta forma, este sensor fornece um sinal de baixa impedância e grande sensibilidade para o monitoramento.
Tabela 1. Composição química do aço austenítico 304
C Si Mn P S Cr Ni 0,07000 0,50000 1,75000 0,04200 0,02100 18,82000 8,93000 Mo W Co V Ti Al Sn 0,40000 0,17000 0,14000 0,05000 0,00500 0,01000 0,01300 Cu Pb Nb Mg Ca N B 0,25000 0,00400 0,00300 0,00600 0,00090 0,02610 0,00150
O condicionador é da fabricante Sensis modelo DM42 com quatro canais de entrada e dois de saída (um dos canais fornece o sinal RMS e o outro fornece o sinal em bruto). A placa de aquisição de sinais que permite o envio do sinal do condicionador para o microcomputador é da Nacional Instrumentes NI USB- 6251M com taxa de amostragem de 1,25 MS/s e 16 canais de entrada. O rugosímetro é da Mitutoyo modelo SJ-201P. Todas as fotos de desgaste de flanco foram feitas pelo estéreo microscópio com aumento de 45 vezes e pelo analisador de imagem Image Pro.
As operações de torneamento cilíndrico externo foram realizadas em um torno CNC Multiplic 35D da Romi com potência máxima 15 Cv ou 11 KW, variação continua de velocidade de corte de avanço, capacidade máxima de rotação do eixo árvore 3000 rpm, avanço rápido longitudinal (eixo Z) de 10 m/min e avanço rápido transversal (eixo X) de 7,5 m/min. Segue abaixo figura 7 uma foto do torno CNC.
Figura 7. Torno CNC Multiplic 35D da Romi
3. RESULTADOS
A análise é baseada em gráficos onde será correlacionado o desgaste de flanco máximo (VBmáx) com o sinal de emissão acústica (EA) e os parâmetros de rugosidade superficial medidos
no sentido transversal da peça. Foram realizadas quatro diferentes análises e construídos os respectivos gráficos. A primeira análise foi o desgaste de flanco máximo (VBmáx) com os
parâmetros de rugosidade calculados com o sinal de emissão acústica. A segunda análise foi o desgaste de flanco máximo (VBmáx) com os parâmetros de rugosidade obtidos pelo rugosímetro. A
terceira análise foi o desgaste de flanco máximo com o sinal de emissão acústica onde foram calculados parâmetros estatísticos visando verificar se há correlação entre o sinal de EA e o desgaste. A quarta análise correlacionou parâmetros de rugosidade obtidos pelo rugosímetro e os parâmetros de rugosidade calculados do sinal de EA.
Como já foi mencionado nesta primeira etapa será correlacionado o desgaste de flanco Máximo com a rugosidade calculado através o sinal de emissão. Os parâmetros calculados foram Ra, Rz, Rq, Rsk, Rku, onde com cada parâmetro foi levantado um gráfico com o desgaste. Os parâmetros que apresentaram melhores correlações foram: Ra, Rku, Rq, com o desgaste de flanco mostrado na figura 8.
Como já foi mencionado nessa etapa será correlacionado o desgaste de flanco Máximo com os parâmetros de rugosidade obtidos pelo rugosímetro. Os parâmetros calculados Foram Ra, Rz, Rq, Rsk, Rku, onde com cada parâmetro foi levantado um gráfico com o desgaste. Os parâmetros que apresentaram melhores correlações foram: Ra, Rz, Rq, com o desgaste de flanco mostrado na figura 8.
Na terceira etapa será correlacionado o desgaste de flanco máximo (VBmáx) com o sinal de
entre o sinal de EA e o desgaste. Os parâmetros calculados foram o desvio padrão, fator de crista, fator de pico, média, fator de achatamento (kurtosis), Rms, skewness, variância, em que, com cada parâmetro foi levantado um gráfico em relação ao desgaste. O parâmetro que apresentou melhor correlação foi média com desgaste de flanco mostrado no Figura8.
Na última etapa foram correlacionados os parâmetros de rugosidade com parâmetros estatisticos de rugosidade calculados do sinal de EA visando encontrar relação entre emissão acústica e rugosidade obitida de forma mecânica (rugosímetro). Os parâmetros calculados foram Ra, Rz, Rp, Rsk, Rku, onde com cada parâmetro foi levantado um gráfico. Os parâmetros que apresentaram melhores correlações foram: Ra, Rq com do rugosímetro e do sinal de EA mostrado na Figura 9.
Figura 8. Quadro com os gráficos construídos
Figura 9. Quadro com os gráficos construídos
4. DISCUSÃO
Neste trabalho é abordado duas frentes de análise com quatro tipos de resultados e respectivas construções de gráficos, onde tenta-se primeiramente verificar se existe relação do sinal de emissão acústica com a rugosidade (Rugosidade obtida pelo rugosímetro da Mitutoyo x Rugosidade obtida com cálculos de parâmetros estatísticos de rugosidade do sinal de emissão acústica,) e com o desgaste (Desgaste de Flanco x Sinal de emissão acústica onde foram calculados parâmetros estatísticos), posteriormente tenta-se verificar qual a relação que a rugosidade tem conforme o desgaste de flanco máximo progride (Desgaste de Flanco x Rugosidade obtida pelo sinal de emissão acústica, Desgaste de Flanco x Rugosidade obtida pelo rugosímetro).
4.1. Relação do sinal de EA com desgaste e rugosidade
Para analisar a relação do sinal de emissão acústica com o desgaste de flanco máximo foram calculados os seguintes parâmetros estatísticos: média, variância, fator de crista, fator de pico, rms, skewness, fator de achatamento (kurtosis), porem apenas o parâmetro da média aritmética foi mais sensível ao desgaste como pode-se visualizar no na figura 8 e 9.
Como notado na figura 8, a curva de tendência tem pouca relação com desgaste isso se deve a vários mecanismos de desgaste atuando ao mesmo tempo como lascamento e perda do revestimento figura 10 que era visualizado no decorrer do processo, outro fator que pode ser determinante no processo é a direção na qual o sensor de emissão acústica estava acoplado no porta ferramenta, onde o sinal de EA foi adquirido na direção radial podendo ser visualizado na figura 6.
Ao relacionar o sinal de emissão acústica com a rugosidade encontou-se dois parâmetros sensíveis que são a rugosidade média (Ra) e Rugosidade quadrática média (Rq ou Rms), porem ao observar as respectivas curvas de tendência nota-se pouca relação, isso se deve a vários mecanismo de desgaste atuando ao mesmo tempo como já mencionado, como o posicionamento do sensor como mencionado anteriormente.
4.2. Relação da rugosidade com desgaste de flanco.
Ao verificar o comportamento da rugosidade obtida com o rugosimetro da Mitutoyo x o desgaste de flanco consegui-se melhores relações do que nas outras analises realizadas, onde os parâmetros mais sensíveis foram : Ra, Rz, Rq, porem pode-se obter melhores valores optando por uma pastilha de corte que seja mais tenaz evitando o lacamento.
Quando verifica-se o comportamento da rugosidade calculado através dos parâmetros estatísticos do sinal de EA, os seguintes parâmetros foram mais sensíveis : Ra, Rku, Rq, porem mesmo assim através das curvas de tendência nota-se pouca correlação onde o fator de maior interferência é o desgaste na forma de lascamento e posicionamento do sensor.
Figura 10. Foto da pastilha de corte com lascamento com perda de revestimento
Os resultados mostram que existe correlação, do sinal de emissão acústica com o desgaste e com a rugosidade, onde o fator determinante para melhores resultados seria a posição do sensor de EA que foi posicionado na direção radial, podendo ser colocado na direção transversal, e a medição da rugosidade que foi obtida na direção transversal.
Como foi notado quando compara-se a rugosidade obtida pelo rugosímetro com o desgaste encontra-se as melhores correlações do que nos dados retirados do sinal de EA , porem os mecanismos de desgaste como lascamento e perda do revestimento, influenciaram nos resultados, uma proposta para melhorar isso seria a utilização de uma pastilha de corte mais tenaz e realizar a medição da rugosidade na direção radial.
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